JPS6382670A

JPS6382670A - 無機生体材料

Info

Publication number: JPS6382670A
Application number: JP61226296A
Authority: JP
Inventors: 敏宏春日; 昌弘吉田; 智子宇野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-04-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】し産業上の利用分野］本発明は、人工骨、人工歯根などのインブラン１〜材料
として有用な無機生体材料に関するものであって、さら
に詳しくは、アパタイト結晶を含有する結晶化ガラス中
にアルミナを分散させた無機生体材料に係る。

［従来の技術］骨と化学結合をつくる（バイオアクティブ）セラミック
スとしてはアパタイト焼結体やＮａ２Ｏ−に２０−Ｍ（
ＪＯ−ｃａｏ　　Ｓ　ｉ　０２−Ｐ？　０５系結晶化ガ
ラスが知られている。また、ＭｇＯ−Ｃａ０−Ｐ２Ｏり
　　Ｓ　ｉ　ＯＰ系ガラスヲ２００メツシュ以下に粉砕
し、そのガラス粉末を成形後、ガラス粉末の焼結温度域
で熱処理し、次いでアパタイト結晶ｃ’ｃａ　１０　（
ＰＯ４）　ｅ　　＜Ｏｙ　、Ｆ）　２　］及びウオラス
トナイト結晶［ＣａＯ−８ｉｏ？］の生成温度域で熱処
理してＨ３６される結晶化ガラスも知られている。この
結晶化ガラスでは、アパタイト結晶が生体親和性に寄与
し、ウオラストナイト結晶が機械的強度に寄与する。従
って、機械的強度を上げるためにはウオラストナイト結
晶の含有率を高めることが望ましい。そこでＳ　！　０
２、の含有量を増やし、ウオラストナイト結晶の析出量
を増した結晶化ガラスも知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、これらのセラミックスの曲げ強度は、アパタ
イト焼結体で、１０００〜１４００ｋｇ／Ｃｍ２、Ｎａ
２０−に２０−ＭＣｌ０−ｃａｏ−ｓ　ｔ　Ｏ？−Ｐ２
０ｓ系結晶化ガラスで１０００〜１５００ｋａ／　ｃｍ
２、ＭＣｌ０　　ｃａｏ　　Ｐ２０５−８　ｌ○２系結
晶化ガラスで１２００〜１４００に！＋／　Ｃ１１１２
程度である。さらに、ウオラストナイトを多機に析出さ
せたＣａ０−Ｐ？Ｏｓ　−８ｉ　０２系あるいはＣａ０
−Ｐ？０５Ｓ　！　０２−ＭｇＯ，Ｙ２０３系結晶化ガ
ラスは１７００〜２３００ｋＭ　ｃｍ２という高い曲げ
強度を有している。しかし、この値は人工骨または人工
歯根どしては必ずしも充分に満足できるほどのものでは
なく、さらに高強度な材料が要望されている。

本発明は優れた生体親和性を備え、しかも従来より高強
度を有する人工骨用及び人工歯根用生体材料を提供する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明は、重量百分率でＣａｏ１２〜５６Ｐ２　０ｓ　　　　　　　　　　　　　　１〜２７Ｓｉ
Ｑ２２２〜５０ＭＱＯＯ〜３４ＡＩ２２０３　　　　　　　　　　　０〜２５に２０　
　　　　　　　　　　　　０〜１０Ｌ　ｉ　２　０　　
　　　　　　　　　　　　Ｑ〜１ＯＮａ２　ｏ　　　　
　　　　　　　　　ｏ〜１０ＴｉＯ？　　　　　　　　
　　　　　Ｏ〜１０ＺｒＯ２０〜１゜ＳｒＯＯ〜１ＯＮｂ２０う　　　　　　　　　　　　　Ｏ〜１０Ｔａ？
　０５　　　　　　　　　　０〜１０８２　０３　　　
　　　　　　　　　　０〜１０Ｆ２　　　　　　　　　
　　　　　　　Ｑ〜５Ｙ２　０３　　　　　　　　　　
　　０〜５の範囲で上記成分を含有し、ｃａｏ、Ｐ？　
０５．５ｉ０２、ＭｇＯ及びＡＭ’２０３（７）含有量
合計が９０％以上である組成を右する結晶化ガラス中に
アルミナを分散させて機械的性質を向上させた無機生体
材料である。この無機生体材料は、アパタイト結晶とウ
オラストナイト、ジオプサイド、フォルステライト、オ
ケルマナイト及びアノルサイト等のアルカリ上類ケイ酸
塩結晶の一種または二種以上を含有し、ざらにβ−リン
酸三カルシウム結晶［β−Ｃａ３　（ＰＯ４）２　］を
場合により含有する。

上記のごとき本発明の無機生体月利は、重量百分率でＣａＯ１２〜５６Ｐ２０５　　　　　　　　　　１〜２７Ｓ！Ｏｚ　　　
　　　　　　　　２２〜５０Ｍｃ＞ＯＯ〜３４ＡＩ２２０３　　　　　　　　０〜２５に２０　　　　
　　　　　０〜１０Ｌｉ？ＯＯ〜１ＯＮ８２０　　　　　　　　　０〜１０Ｔ　！　Ｏ？　　　　　　　　　　Ｏ〜１０Ｚｒ０２　
　　　　　　　　０〜１０ＳｒＯＯ〜１ＯＮｂ２０ｓ　　　　　　　　　　Ｏ〜１０Ｔａ２０５　
　　　　　　　　　　０〜１０８２　０ｙ　　　　　　
　　　　　　　　　Ｏ〜１０Ｆ２　　　　　　　　　　
　　　　　　０〜５Ｙ２　０３　　　　　　　　　　　
　　　０〜５の範囲で上記成分を含有し、ＣａＯ１Ｐ２
０５、ＳｉＯ２、ＭＱＯ及びＡｆ２０３の含有量合計が
９０％以上である組成を有する２００メツシユ以下のマ
トリックスガラス粉末に、アルミナを体積百分率で５〜
５０％均一に混合し、この混合物を所定の形に成形した
後に、この成型体を焼結し、ガラスからアパタイト結晶
とウオラストナイト、ジオプサイド、フォルステライト
、オケルマナイト及びアノルサイト等のアルカリ土類ケ
イｍｍ結晶が均一に析出する温度域で熱処理することに
よって製造することができる。

本発明に係る無機生体材料に於て、マトリックスとなる
ガラスの組成に関し、そのω的限定理由を以下に述べる
。

ＣａＯが１２％未満では、ガラス粉末の焼結性が極端に
悪くなるため、高強度な結晶化ガラスを得ることが困難
である。またＣａＯが５６％を越えるとガラスの失透傾
向が著しくなる。従って、ＣａＯの含５Ｂは１２〜５６
％に限定される。Ｐ２Ｏ３が１％未満では、ガラスの失
透傾向が著しく、２７％以上ではウオラストナイト、ジ
オプサイド、フォルステライト、オケルマナイト、アノ
ルサイト等のアルカリ土類ケイ酸塩結晶の析出Ｍが少な
くなるので、Ｆ２０５の含量は１〜２７％に限定される
。

ＳｉＯ２が２２％未満では、ガラス粉末の焼結性が悪く
なり、かつアルカリ土類ケイ′Ｍ塩結晶の析出砧も少な
くなる。またＳｉＯ２が５０％を越えるとガラスが失透
しやすくなる。従って、５ｈｏｐの含ωは２２〜５０％
に限定される。ＭＱＯは必須成分ではないが、含む場合
は３４％より多いとアパタイト結晶の生成量が少なくな
るので、３４％以トに限定される。同様に、Ａｌ１ｔＯ
３も必須成分ではないが、含む場合は２５％より多いと
アパタイト結晶の生成量が少なくなるので、２５％以下
に限定される。

上記した５成分に加えて本発明のガラスは、人体に有害
ではないに２０．ＬｉｚＯ１Ｎａ２０゜ＴｉＯ２、Ｚｒ
Ｏ２、ｓｒｏ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２０６　、Ｂ２０３　
、Ｆ２　、Ｙ２０３を１０％以下の範囲内で一種または
二種以上含有することができる。これらの任意成分の合
計が１０％より多いときには、アパタイト結晶及びアル
カリ土類ケイ酸塩結晶の生成量が低下してしまう場合が
あるので、好ましくは１０％以下とするのがよい。ただ
し、Ｆ２は５％より多いとガラスが失透しやすくなり、
またＹ２０３が５％より多いとアパタイト結晶及びアル
カリ土類ケイＦＩ！塩結晶の生成量が低下してしまうの
で、Ｆ２及びＹ２０３それぞれ５％以下に限定される。

本発明に係る無機生体材料を製造するにあたっては、上
に限定した組成範囲のガラスを−Ｈ２００メツシュ以下
の粒度に粉砕し、アルミナ微粒子と均一に混合し、得ら
れた混合粉末を所望の形状に成型し、しかる後その成型
体を焼結させてからこれに結晶化処理を施すことが肝要
である。ガラスが２００メツシュ以上であると、焼結体
中に気孔が残りやすく、機械的強度の大きな複合結晶化
ガラスを得ることができない。つまり、気孔が少なく、
結晶が均一に析出し、アルミナ粒子が均一に分布した複
合結晶化ガラスを得るためには、粒度２００メツシユ以
下の微細なガラス粉末を用いることが重要である。さら
に複合されるアルミナが体積自分率で５％より少ないと
複合化による機械的強度の向上をほとんど望めず、５０
％より多いと焼結性が悪くなり、機械的強度の向上を期
待できない上に結晶化ガラスの持つ生体親和性を充分に
生かすことができない。よって、アルミナの配合ｆｆｉ
は体積百分率でガラスの５〜５０％に限定される。

本発明の方法によれば、粒度２００メツシユ以下のガラ
ス粉末とアルミナとは任意の公知手段で混合され、しか
る復成形し、その成型体は前記ガラス／アルミナ混合粉
末の焼結温度域で熱処理され、次いでアパタイト結晶及
びアルカリ土類ケイ酸塩結晶が析出する温度域で熱処理
される。前者の熱処理は気孔率の小さな機械的強度の大
ぎな複合結晶化ガラスを得るために重要であり、後右の
熱処理はガラスからアパタイト結晶及びアルカリ上類ケ
イＭ　３１！結晶を析出させるために重要である。

焼結温度域はガラス／アルミナ混合粉末の成型体を一定
速度で加熱し、その間の熱収縮を測定することにより求
めることがぐきる。熱収縮の開始）８度から終了温度ま
でが焼結温度域である。

また、アパタイト結晶及びアルカリ土類ケイ酸ｉｎ結晶
の析出温度域はガラス／アルミナ混合物の示差熱分析に
より求められる。示差熱分析曲線における発熱ピークの
温度で熱処理したガラス／アルミナ８合粉末のＸ線回折
データを解析することにより、それぞれの発熱ピークに
対応する析出温度を同定し、その発熱温度から発熱終了
温度までをそれぞれの結晶の析出温度域とする。

熱処理方法としでは任意の公知手段を用いて良いが、ホ
ットプレス法やＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法を用いる
と焼結がより促進されて気孔が少なくなり、より機械的
強度の大きいものが得られる。

ガラスに混合するアルミナは、市販の単結晶アルミナ、
多結晶アルミナのどちらでもよい。アルミナの配合によ
ってマトリックスの材料が強化される理由は、主クラッ
クが結晶化ガラス中に分散されたアルミナ粒イの周りを
偏向して進むためにより大ぎなエネルギーを破壊に必要
とするためであるので、単結晶アルミナや高強度な多結
晶アルミナを用いれば強度は向上する。

ガラスに混合するアルミナは、粉末状でもファイバ（ウ
ィスカを含む）状でもよい。粉末状のアルミナを用いる
と上記のごとくマトリックスが強化され、ファイバ状の
アルミナを用いると、上記のごとくマトリックスが強化
されるのに加えて、フン・イバが材料に加わる応力を担
うため、さらに機械的強電の向上が期待できる。ただし
、混合するアルミナが粉末の場合には、その粉末の粒度
は２００メツシユ以下でなければならない。アルミナ粉
末が２００メツシユより大きいと、焼結体中に気孔が残
りやすり、機械的強度の大きな複合結晶化ガラスを得ら
れない。つまり、気孔が少なく、結晶が均一に分布した
複合結晶化ガラスを１９６には、粒度２００メツシユ以
下の微細なガラス粉末と２００メツシユ以下のアルミナ
微粉末を用いることが重要である。

［実施例］酸化物、炭酸塩、リン酸塩、水和物、フッ化物などを原
料に用いて、次表に示す組成に相当するガラスのバッチ
を調合し、これを白金ルツボに入れて１４５０〜１５５
０℃で２時間溶融した。次いで融液を水中に投入し、乾
燥後ボールミルに入れて　２００メツシユ以下の粒度に
粉砕した。これに市販の粉末状又はファイバ状アルミナ
を添加し、さらにボールミルを用いて数時間湿式混合し
、乾燥した。

得られた混合物を黒鉛型に入れ、３００ｋ（１／ｃｍ２
の圧力をかけながら、室温から１１５０℃まで一定の背
温速度３℃／ｍｉｎで加熱し、１１５０℃で２時間保持
して成型体の焼結と結晶化を行なった。しかる後、炉内
で室温まで冷却し、アルミナ複合結晶化ガラスを得た。

こうして製造された各複合結晶化ガラスの破断面をＳ　
Ｅ　Ｍ　’Ｃ−観察したところ、いずれも気孔のほとん
と無い緻密な組織であった。また、これらアルミナ複合
結晶化ガラスを粉砕し、粉末Ｘ線回折により析出結晶相
を同定した。さらに、アルミナ複合結晶化ガラスを３０
０番のダイヤモンド砥石で直径３〜５ｍｍの丸棒に加工
し、三点曲げ強度試験を行なった。ガラス組成、アルミ
ナの種類、アルミナの配合量（ガラスに対する体積百分
串）、析出結晶相及び三点曲げ強度を次表に示す。表か
ら明らかなように、本発明の無機生体材料は２５００〜
３５００に！＋／　Ｃ１１１２という高い曲げ強度を有
している。

［発明の効果］本発明の無機生体材料は骨と化学的に結合りるのに必要
なＣａＯとＰ２Ｏ５を含イｉし、しかち、２５００〜３
５００ｋｇ／　ｃｒｎ２という非常に高い曲げ強度を右
しているので、人工骨用及び人工歯根用生体材料として
極めて４用である。

Claims

【特許請求の範囲】１　重量百分率でＣａＯ　　　　１２〜５６Ｐ＿２Ｏ＿５　　１〜２７ＳｉＯ＿２　　２２〜５０ＭｇＯ　　　　　０〜３４Ａｌ＿２Ｏ＿３　０〜２５Ｋ＿２Ｏ　　　　０〜１０Ｌｉ＿２Ｏ　　　０〜１０Ｎａ＿２Ｏ　　　０〜１０ＴｉＯ＿２　　　０〜１０ＺｒＯ＿２　　　０〜１０ＳｒＯ　　　　　０〜１０Ｎｂ＿２Ｏ＿５　０〜１０Ｔａ＿２Ｏ＿５　０〜１０Ｂ＿２Ｏ＿３　　０〜１０Ｆ＿２　　　　　０〜５Ｙ＿２Ｏ＿３　　０〜５の範囲で上記成分を含有し、ＣａＯ、Ｐ＿２Ｏ＿５、Ｓ
ｉＯ＿２、ＭｇＯ及びＡｌ＿２Ｏ＿３の含有量合計が９
０％以上である組成を有する結晶化ガラス中にアルミナ
を分散させたアルミナ複合結晶化ガラスからなる無機生
体材料。２　前記の結晶化ガラスがアパタイト結晶と、ウォラス
トナイト、ジオプサイド、フォルステライト、オケルマ
ナイト及びアノルサイトから選ばれるアルカリ土類ケイ
酸塩結晶の一種または二種以上含有することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の無機生体材料。３　結晶化ガラス中に分散させたアルミナの配合量が体
積百分率で５〜５０％であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の無機生体材料。